【大学课件】信息通信专业 Energy Aware Algorithm in Ad Hoc Networks

MAC层节能机制研究

我们研究的网络都是基于802.11的无线网络 模型，必然有一些最基础的与一般无线不 网络相同。例如：RTS、CTS、ACK、 CSMA/CA等等。要在MAC层实现节能，必 须实行功率控制，或者针对不同功率进行 调节。下面分别研究。
Ad Hoc网络功率控制（一）



能量节省率
MAC层路由协议（一）


引入多类路由的概念(MC) 具有骨干能力结点(backbone-capable nodes, BC nodes)：数据传输量大，健壮性好，处 理能力强的结点。 MC路由的主要思想就是让大多数路由由这 些骨干结点来承担。
MC路由

优点： 其更加稳定，纠错能力更强。


通信过程 1、计算如果成功握手后，信道是否会有 空闲。根据CUL的rel_time进行计算。 2、A给B发送RTS，采用Pmax。 3、B收到RTS信号后，检查是否有空闲的 数据信道。 4、C收到RTS信号后，就隐藏自己一段时 间。 5、A等待B的CTS信号。



通信过程（续） 6、A收到CTS后，执行以下操作： 插入CUL[k]，使(Dj为信道j)； 广播RES（占用的信道，网络分配的RES 的矢量，RES的功率(Pres)）； 采用POWER(B)传输数据。 7、C收到CTS后，更新CUL。 8、C收到RES后，更新CUL。 9、B收到整个数据包后，回复A。采用功 率POWER[A]。
DCA-PC仿真实验

信道数量影响 ：总的DCA-PC的效果比DCA 好，但是随着信道数的增加，功率控制的 意义会下降。

固定信道带宽下，情况同上面的相似。

主机密度的影响：主机密度大的时候， DCA-PC的效果好，从而说明了功率控制 在主机密度大的时候非常有用。

功率级数数量的影响：采用更多的功率级 数，使主机对外界的抗干扰能力增加，从 而使信道利用率增加 。


Pat广播阶段：
每一个节点将他之前形成的表单再次广播 出去 ，每一个节点将之前的表单加以修改, 变成如下的表单


SON阶段： 采用下面的模型来进行最佳邻居选择

SON的两种分支 SCON和SEEON 。对SCON来说, 只要离他最远的邻居节点满足上面的不等式,则离 他较近的不满足不等式的邻居节点继续保留在Pat 表中,而SEEON则对其PAT表中的所有节点进行检 查,剔除所有不满足上面不等式的邻居节点
DSR MAC协议



使用传输的持续时长，状态间距离和通信 间的冲突联系而不是第一个通信对作为传 输准则 。 步骤： 1、信道接入策略。 2、基于距离的冲突推导与IIM设置 。
Ad Hoc网络功率控制（三）


在大多数无线通信系统中，信号冲突问题 成了主要的限制问题，信号冲突比(SIR)也 取代信噪比(SNR)成为系统主要的参数 。 为了提高SIR，提出一种传输功率控制的非 线性优化算法 。
3、多类路由协议


每个结点有其固定的id，每个区域也有其固定的id。B 结点有它的第二个id，用于区域间的通信。 B结点离开时，发出广播信信，让其它的BC结点竞选 一个成为B结点。 B结点间的路由：采用B结点的第二个id。用于CELL 间的通信。 寻路：假设S结点要给在不同区域的D结点发送数据， 通过RR来寻路。寻路后，在所在的路上进行通信。 路由修复：如果在上述路由中出现了故障，发现在路 中有个区域没有B节点，那么它就通过广播RE(route repair)数据包进行路由修复。 普通结点的路由：结点首先通过在其区域内广播RR 数据包来寻找其最近邻的B结点。B结点收到后，回 复S结点一个RP信号。如果S没有收到RP信号，那么 就可以确定该区域内没有B结点。


取对数
log Pj j j log d j log Pi i i log di

取不等式右端寻找

max(log Pj j j log d j log Pi i i log di ) 即可最小化分母实现SIR最大化目标 。
控制功率对Ad Hoc网络的影响
Ad Hoc网络功率控制（二）



提高空间复用可以节约能量。 方法： 1、解决暴露终端问题 。这个方法适用于多 跳网络,而并不适于单跳网络。 2、通过采用方向性技术 。这种方法来提高 空间复用的所需的代价太高。 3、采用功率控制来提高空间复用 。这是我 们要研究的方法（ DSR MAC协议 ）。

RTS/CTS访问方法
梯度投射算法 ： 向量x在梯度相反的地方被迭代修正，以适 应最佳化的问题


流量分配只需由一对接点来决定而不需要 考虑其他节点

MAC层路由协议（二）


通过能量效率比较来选取最佳邻居节点 定义P(I,J)为节点I向节点j传输数据所需要的 传输功率,并且节点I拥有一张邻居节点表单, 上面按传输功率大小排定I的所有邻居 J1,J2… 假定I要发送数据给Jl,它并不急于选择直接 向Jl发送数据,而是先在它的邻居表单里寻找 是否有满足以下关系的节点存在
多信道最小能量路由（MMER）

Ad Hoc网络有N个节点和L条链路组成。网 络中有W对源-目标节点对 ，每一对w=(s,d)， Pw为该对的通道集合，rw为源到目的节点 的数据包传送速率，Xwp为Pw中一条信道p 的传送速率 。

总的能量损耗为

我们的目标是


基于分布式协调函数（Distributed Coordination Function，简称DCF） 有两种 访问方法：一种叫基本访问方法，另一种 叫RTS/CTS访问方法 。 基本访问方法只有数据帧和ACK帧，会产 生“隐藏终端问题”，为此我们用RTS/CTS 访问方法。这种方法在传输庞大数据帧前 优先使用小的RTS、CTS帧。
2、B结点的选择 首先每个峰窝结构中，从BC结点中挑选出 一个作为B结点，如果B结点离开了所属的 区域，就要重新从BC结点中选出一个B结点。 B结点的离开，或者是G结点发现其所在的 区域内没有B结点，那么，它们就会发出广 播信息。收到广播信息的BC结点就会广播， 其将成为新的B结点。


可提供更大的传输量。因为骨干结点的处 理能力更强 降低了中间的跳转。因为骨干结点的传输 半径大得多。


1、峰窝结构(Cell Structure)

在每个Cell中，有一个从BC结点中挑选一 个B结点，并且B结点可以与其相邻的Cell 中的任意一个B结点直接通信。并假设这 些结点只在限定的地方活动。

如果存在这样的节点jq,则I将jl从他的邻居节 点表单里删除,并且发送数据给jq,通过jq转发 给jl。


算法假定： 网络的拓扑结构应为准静态的。 每一个节点都能够对自己的相关位置进行 评估。 每个节点都可以调整他的传输功率,用以到 达不同的邻居节点 。

ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ

地址广播 ：
每一个节点以他的全输出功率将自己的地 址信息广播出去 ，每一个节点都形成一张 如下图的表单

平衡阶段：
每一个节点都以全功率广播自己的邻居节 点列表,当A接受到B的邻居列表并且发现自 己不在其中时,A将把B从邻居列表中剔除 。 为了达到功率的最优化使用,如果只使用 SON是不够的,节点必须按照发送距离的远 近调整自己的发送功率,才能最终实现能量 的最优化使用 。
仿真实验

设立了一个100节点，区域为500m*500M的 ad hoc网络 ，相关参数如下表
802.11使用CSMA/CA存在的缺点:空间利用率低， 能量效率低，信道干扰大。 改进方法： 1、以最大功率传送RTS、CTS，然后以最小功率 发送ACK 和数据。 缺点：降低了吞吐量和传输速度 。 2、干扰限制的MAC层协议 （Interference-Limited Media Access Control） 。 缺点：但是可能造成误判决；需要收、发两根天 线；需要自适应。
Energy Aware Algorithm in Ad Hoc Networks

我们一组在详细看了mesh网络相关文章之 后，决定集中调研mesh网络中的一个子类： Ad Hoc网络。 针对目前对于自组织网络的研究焦点集中 在节能问题上，特别是在MAC层的节能研 究，我们重点调研MAC层的节能机制以及 网络层的节能路由机制，对其他方面的节 能机制也作了相应调研。



对于一个Ad Hoc网络，采用TDMA的介质 访问控制协议 ，对节点划分功率等级，设 定传输功率、信噪比等参数。 建立SINR干扰模型 。 进行仿真实验。
网络吞吐量随节点的变化
跳数随节点数变化统计
协调冲突与竞争（一）

MAC层应该解决传输过程中的潜在的争用 和冲突 。
单信道模式下，网络性能随着用户增多而 下降，频发的冲突和竞争导致更多的能量 损耗。 解决方案： 1、采用更复杂的多路访问机制。 2、电源管理。

3、POWMAC Protocol (power control MAC Protocol) 。用滑动访问窗口（access window , AW）储存RTS、CTS序列 ，AW长度是自适 应变化的，将避免碰撞的信息放入CTS中， 以确定可能干扰者发送功率的上限，而不 是禁止它们发送数据（保持静默），而且 干扰的边界也是自适应调整的。


4、分发结点位置信息 。
在结点没有离开其所在的区域时，不用发 送其位置信息；若结点离开了其所在的区 域的话，发送位置更新信息的数据包给其 所在的新的B结点，另处，B结点定期的将 其所收集到的信息发送给一个B0结点。注 意更新的信息不应太大，否则就不够精确， 也不能太小。最好选择一个固定的B0结点。 5、新的MAC层协议。